Консультация № 197887
29.02.2020, 14:30
0.00 руб.
0 2 1
Здравствуйте! Помогите, пожалуйста, решить задачу:

Конденсатор ёмкостью C1 , заряженный до напряжения U0 , и незаряженный конденсатор ёмкостью C2 соединили последовательно с резистором. Какое количество теплоты Q выделится на резисторе? Какие заряды q1 и q2 останутся на конденсаторах после окончания процесса выделения тепла?

Обсуждение

давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
01.03.2020, 14:35
общий
это ответ
Здравствуйте, artemys03!
Дано: Конденсатор C1 заряжен до напряжения U0 . C2 НЕ заряжен.
Вычислить выделившееся кол-во теплоты Q и остаточное заряды q1 и q2.

Решение : Я начертил простую электро-схемку для лучшего понимания процесса пере-распределения зарядов (схему прилагаю ниже).
Ёмкость C конденсатора связана с его зарядом q и напряжением U простой формулой q = C·U (см учебную статью "Электроёмкость. Конденсаторы" Ссылка1 )

В начальный момент времени конденсатор C1 имел заряд q0 = C1·U0 , а напряжение м-ду обкладками незаряженного конденсатора C2 было равно 0 . Допустим, полярность заряда плюсовая на правой по схеме обкладке C1. Тогда ток I потечёт в направлении часовой стрелки.

Помним главное правило конденсаторов в импульсных устройствах : "Напряжение м-ду обкладками конденсатора не может измениться мгновенно". Поэтому, в первый момент напряжение U0 конденсатора C1 мигом передаётся ч-з незаряженный конденсатор C2 как будто через перемычку. Это напряжение U0, приложенное к резистору R, вызывает ток I = U0/R .

Со временем, конденсатор C1 разряжается, его напряжение спадает, а конденсатор C2 - наоборот, заряжается полярностью обратной по отношению к полярности C1. Ток I постепенно спадает до нуля по экспоненциальному закону. Процесс перезарядов практически прекратится, когда напряжения на конденсаторах C1 и C2 станут одинаковы по модулю и равны какому-то конечному значению Uk . Запишем эту идею в математическую формулу:
На конденсаторе C1 останется заряд q1 = C1·Uk
На конденсаторе C2 заряд возрастёт до q2 = C2·Uk
Тогда Uk = q1 / C1 = q2 / C2 (1)

В нашей простой, НЕразветвлённой цепи заряды не утекали из системы. Поэтому, конденсатор C2 получил такой же заряд, на который убавился заряд C1 , а именно :
q2 = q0 - q1 (2)
(некоторые называют это "Закон сохранения заряда" q0 = q1 + q2 )
Подставим это выражение q2 в формулу (1) и получим уравнение :
q1 / C1 = (q0 - q1) / C2
Чтоб решить это уравнение, группируем неизвестные переменные в левую часть:
q1 / C1 + q1 / C2 = q0 / C2

Получаем искомый конечный заряд q1 = (q0/C2) / [1/C1 + 1/C2] = q0·C1 / (C1 + C2)
Из формулы (2) получим q2 = q0 - q1 = q0 - q0·C1 / (C1 + C2) = q0·C2 / (C1 + C2)

Количество теплоты Q можно вычислять как интеграл

но легче использовать Закон сохранения энергии, чтоб обойтись без высшей математики:
Начальная энергия заряженного конденсатора C1 была W0 = C1·U02/2 (см статью "Соединения конденсаторов. Энергия электрического поля конденсатора" eduspb.com/node/1763 )
Конечная энергия конденсатора C1 стала W1 = C1·Uk2/2 = q12/(2·C1) = q02·C1 / [2·(C1+C2)2]
Конечная энергия конденсатора C2 стала W2 = C2·Uk2/2 = q22/(2·C2) = q02·C2 / [2·(C1+C2)2]
Искомое кол-во теплоты Q = W0 - (W1 + W2) = C1·U02/2 - {q02·C1 / [2·(C1+C2)2] + q02·C2 / [2·(C1+C2)2]} =
= C1·U02/2 - q02 / [2·(C1+C2)]

Избавляемся от неизвестных переменных, заменим q0 на заданные в Условии задачи C1·U0 . Получим
Q = (C1·U02/2) · [1 - C1/(C1+C2)] = U02·C1·C2 / [2·(C1 + C2)]

Ответ : q1 = q0·C1/(C1 + C2) , q2 = q0·C2/(C1 + C2) , Q = U02·C1·C2 / [2·(C1 + C2)]

Сделаем упрощённую проверку (она очень помогает обнаружить грубые ошибки):
1)Представим будто C2 = 0 (обрыв). Тогда q1 = q0·C1 / (C1 + 0) = q0 , q2 = q0·0 / (C1 + 0) = 0 ,
Q = U02·C1·0 / [2·(C1 + 0)] = 0 - конечный заряд q1 конденсатора C1 остался прежним q0 , C2 не получил заряда, резистор не подогрелся.

2)Представим будто C2 = [$8734$] (перемычка). Тогда q1 = q0·C1 / (C1 + [$8734$]) = 0 ,
q2 = q0·[$8734$] / (C1 + [$8734$]) = q0 / (C1/[$8734$] + 1) = q0 / (0 + 1) = q0 ,
Q = U02·C1·[$8734$] / [2·(C1 + [$8734$])] = U02·C1 / [2·(C1/[$8734$] + 1)] =
= U02·C1 / [2·(0 + 1)] = C1·U02/2 - конденсатор C1 передал весь свой заряд в супер-ёмкий C2 , и вся энергия C1 перешла в нагрев резистора.

3)Представим будто C2 = C1 . Тогда q1 = q0·C1 / (C1 + C1) = q0/2 , q2 = q0·C1 / (C1 + C1) = q0/2 ,
Q = U02·C1·C1 / [2·(C1 + C1)] = C1·U02/4 - начальный заряд C1 разделился по двум конденсаторам поровну, половина начальной энергии C1 перешла в тепло резистора.
=Все 3 случая логически верны! Проверка успешна!
5
давно
Посетитель
403671
8
01.03.2020, 18:14
общий
Спасибо большое за помощь, никак не получалось решить эту задачу.
Форма ответа